碳酸钠与二氧化碳思考题&解答

= =本来是打算让大家去看本凤之后出的那本书的……
0 0但知识是无价的!
OwO所以就直接在这放出来吧!
OwO大家跟着本凤一起来慢慢走吧~~~~

【前情提要】
大约在两周前吧,我在贴吧发了这么个问题:


常温下,向碳酸钠溶液中通入足量的二氧化碳,能不能将溶液的pH值降到7以下?如果能,请写出相关的方程式,如果不能,请说明理由。

当时我在写书的时候觉得这个点比较有意思就顺手出了一道题发到了网上,结果这个影响是核弹级别的,包括喜欢化学的中学生、竞赛生、一些大学生以及一部分化学老师全部被绕进去了。
当然,如果你是第一次听说这事本凤建议你在继续看之前先自己思考一下~~

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好的本凤开始解答~~

究竟能不能呢?
原帖中几乎所有人都认为不能,于是本凤给了个提示,
就是本凤DEC低温特辑第三集的气泡那一集:

干冰是固态的二氧化碳,等同于不断往液体里通二氧化碳。
(实验中干冰对于水的降温作用并不明显,可以忽略不计,不要想当然。)
而液体里一开始的碱性物质是氢氧化钠,过一小会儿也就变成了碳酸钠。
在这个过程中,指示剂的颜色已经从碱色变成了酸色,足以说明pH值的降低了。
所以,对于那道题的答案当然是可以。然后一大群人就懵逼了……

学过水解的同学们会知道,碳酸钠在水中电离后会使溶液显碱性:
CO32- + H2O=可逆=HCO3- + OH-
HCO3- + H2O=可逆=H2CO3 + OH-
而二氧化碳溶于水时,二氧化碳会与水生成一定量的碳酸,碳酸可以使溶液显酸性:
CO2 + H2O=可逆=H2CO3
H2CO3=可逆=HCO3- + H+
HCO3-=可逆=CO32- + H+
于是问题来了,稍作思考就会知道,这两套对立的方程式会最终全部指向了HCO3-这一水解显碱性的离子,溶液还怎么可能显酸性呢?

同时也有一些人指责本凤,
说这种涉及到缓冲溶液pH值计算的东西扔给中学生未免太过分了。
但是哭笑不得本凤想说的是,明明是你们想复杂了啊~
以下,准备放思考过程及答案:

其实原理很简单,
碳酸根离子水解时会产生OH-使溶液pH值升高,
而碳酸电离时会产生H+使溶液pH值降低,
所以定位HCO3-的来源就对于判断溶液的pH值显得尤为重要。
二氧化碳与碳酸钠在溶液中完全反应时会发生这个方程:
CO2 + Na2CO3 + H2O=NaHCO3
由于二氧化碳足量所以这个过程势必发生,因此我们直接考虑碳酸氢根就可以了。
当溶液中只剩碳酸氢钠时继续通入二氧化碳的话,二氧化碳会结合水产生新的HCO3-,同时抑制原有碳酸氢钠的水解。
那么也就恰巧存在一个点,使得碳酸电离产生的碳酸氢根恰巧完全抑制了碳酸氢钠的水解,此时溶液的pH值恰好为7!
而接下来,倘若在溶液中继续通入二氧化碳,那么自然,pH值就会变得小于7了。
而影响着一切的唯一条件,就是溶液所能容纳的二氧化碳的量,能不能做到这一切,换言之,最开始碳酸钠的浓度是否能够被二氧化碳所颠覆。
但终究,这种可能性还是存在的啊,不然上面那俩图里的效果也不会产生。

所以答案:


可以。
CO2+Na2CO3+H2O=NaHCO3

CO2+H2O=H2CO3;
H2CO3=可逆=HCO3- + H+

HCO3-=可逆=CO32- + H+

并不需要什么复杂的计算或者了解缓冲溶液什么的,就算你没有看过那一集的实验也行。
因为这个问题讨论的是可能性,所以当你第一眼认为它可能成立(比如说“二氧化碳无限供应相当于酸一直有,所以碱性会被中和”)但写不出方程式的话,不妨试一试从你认为它成立的哪个角度,怎么能把这一切圆回来,这样才有可能突破你的固有思维。

最后,对于pH值能否小于7的碳酸钠浓度阈值,大家可以看一下贴吧@miraculous_xp 的详细分析帖,帖子号5400346684,分析的很到位哦!

当然,如果这个东西被某出题人恰好看到然后放到了你们的考试卷里的话……

OvO那就不关我事了哦!!!

= =所以为了预防这种事还不赶紧关注收藏点赞转发一波?

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